Akışkanlar mekaniği tarihi

Akışkanlar mekaniğinin tarihi, fizik ve mühendislik tarihinin temel bir koludur. Akışkanların (sıvılar ve gazlar) hareketi ve onlara etki eden kuvvetlerin incelenmesi tarih öncesine kadar uzanmaktadır. İnsanın suya bağımlılığı, meteorolojik koşullar ve iç biyolojik süreçler nedeniyle sürekli bir evrim geçirmiştir.

İlk uygarlıkların başarısı, deniz taşımacılığının yanı sıra su dağıtımı ve çiftlik sulama için kanal ve su kemerlerinin inşasına olanak tanıyan su dinamikleri anlayışındaki gelişmelere atfedilebilir. Kavramsal karmaşıklığı nedeniyle, bu alandaki keşiflerin çoğu, en azından diferansiyel denklemler ve hesaplamalı yöntemlerin ileri düzeyde anlaşılmasının geliştirilmesine kadar neredeyse tamamen deneylere dayanıyordu. Akışkanlar mekaniğini tanımlamak için temel denklemleri geliştiren Arşimet, Johann Bernoulli ve oğlu Daniel Bernoulli, Leonhard Euler, Claude-Louis Navier ve George Gabriel Stokes gibi önemli kişiler tarafından önemli teorik katkılar yapılmıştır. Deneysel ve hesaplamalı yöntemlerdeki gelişmeler, alanı daha da ileriye taşımış ve havacılıktan çevre mühendisliğine kadar daha uzmanlaşmış endüstrilerde pratik uygulamalara yol açmıştır. Akışkanlar mekaniği, astronomik cisimlerin ve galaksilerin dinamiğinin incelenmesi için de önemli olmuştur.

Antik Dönem
Tarih öncesi
Antik medeniyetlerde ok, mızrak, gemi tasarımı ve sulama, taşma gibi genel olarak hidrolik mühendisliği içeren, bilimsel değilse bile pragmatik bilgiler elde edilmişti. En erken insan medeniyetlerinin nehir kıyılarında kurulması su bilimi, hidrolik ve hidrolik mühendisliğinin başlangıcına sebep oldu.

Antik Çin
Özgül ağırlık ve kaldırma kuvveti gözlemleri eski Çin filozofları tarafından kaydedildi. M.Ö. 4. yüzyılda Mensiyüs altının ağırlığının tüylerle eşdeğer olduğunu anlatır. MS 3. yüzyılda , farklı ağırlıklarla yüklü teknelerin yer değiştirmesini gözlemleyerek filin tartılmasının öyküsünü anlatmaktadır.

Arşimet
Hidrostatik'in temel prensibi Arşimet tarafından “Yüzen cisimler üzerine” çalışmasında MÖ 250 yılında verilmiştir. Bu çalışmada Arşimet, Arşimet prensibi olarak da bilinen batmazlık yasasını geliştirir. Bu prensip, akışkana batırılan cismin, taşırdığı akışkanın ağırlığına eşit miktarda bir kaldırma kuvvetine maruz kalacağını belirtir. Arşimet, dengede olan bir akışkanın her yönden eşit miktarda bastırıldığını ve bu akışkanda yüzen cismin de denge pozisyonunda olacağını söyler.

İskenderiye Okulu
İskenderiye'deki Batlamyus'un desteği ile gelişen Yunan okulunda hidrolik makine yapımı için çalışmalar yapıldı. MÖ 120 yılı civarinda Ktesibios ve Heron tarafından tazyikli su çeşmesi, sifon ve piston pompası (forcing-pump) icat edildi.

Sifon oldukça basit bir araçken pompa, hidroliğin bebeklik döneminden beklenilemeyecek kadar karmaşıktır. Pompa, muhtemelen o zamanlar yaygın olan birkaç toprak çömleği bir tekerlek tarafından döndüren güzel bir çeşit zincir pompa (chain pump) olan Mısır tekerleği veya 'dan esinlenildi. Bunlardan bazılarında çömleklerin alt kısmında fazla dirence maruz kalmadan alçalarak tekerlek üzerindeki yükü büyük ölçüde azaltan bir vana bulunuyordu. Eğer bu vananın Ktesibios zamanı gibi çok eski bir zamanda tanıtıldığını farz edersek böyle bir makinenin pompa (forcing-pump) gibi karmaşık bir makinenin icadına yol açmasını anlamak çok da zor olmayacaktır. Akışkan statiğinde Biruni objenin spesifik yerçekimi ve suyun hacmi arasında bir orantı olduğunu keşfetti. Ayrıca deneyler sırasında testleri kontrol etme metodunu tanıttı ve değişik sıvıların özağırlıklarını ölçtü. Tatlı ve tuzlu su, sıcak ve soğuk su arasındaki ağırlık farkını da kaydetti. Akışkan mekaniği üzerine deneyleri suresince cismin havadaki ağırlığı ile yerini aldığı suyun ağırlığı arasındaki oranı bulmak için Biruni konik ölçüyü (conical measure) icat etti. “The Book of the Balance of Wisdom (1121)” kitabında Al-Khazini hidrostatik dengeyi icat ettiğini yazmıştır.

İslam mühendisleri
9. yüzyılda Banu Musa Kardeşler'in ‘ ' kitabı ilk dönemlerde akışkan mekaniğin otomatik kontrolünü tanımlamıştır. İlk kontrollerden biri olan 2-adımlı akışkan kontrolü Banu Musa kardeşler tarafından geliştirilmiştir. Ayrıca akışkanlar için geri beslemeli kontrolü de tanımlamışlardır. 'e göre, Banu Musa kardeşler hidrostatik basınç ve akışkan sistemlerdeki “in-line” konik vana kullanımındaki “küçük varyasyonlardan istifade etme" ustalarıdır. , Banu Musa Kardeşler ayrıca “küçük miktarlarda sıvıyı tekrar tekrar alabilmeyi sağlayan fakat yüksek miktarda alınırsa daha ileri ekstraksiyonun mümkün olmadığı” mekanizması geliştirmişlerdir.

1206'da el-Cezerî’nin “Book of knowledge of ingenious mechanical devices” kitabı birçok hidrolik makineyi tanımlamıştır. Su yükseltme pompası ayrıca önem taşımaktadır. ilk kez kullanılan krank mili el-Cezerî’nin makinesinde de kullanılmıştır. Periyodik çalışmayı en aza indirgeme konsepti de verimini maksimize etmek amacıyla ilk olarak bu makinede uygulanmıştır. El-Cezerî ayrıca ilk emme borularını içeren ikiz-silindirli vargel (reciprocating) pistonu emme pompası, emme pompalama, icat etmiş ve vanalar ile krank mili biyel mekanizmalarını ilk defa kullanmıştır. Akışkanlar Dinamiği'ne Giriş (1967) gibi bir bölüm ayırmaktadır. Zamanla bu konu üzerine bütün kitaplar yazılmaya başlandı. H. Poincare 1983'te, H. Villat 1930'da, 1954'te, 1992'de bu konu üzerine önemli kitaplar yazdılar. Başlarda konferansların bir alt başlığı dahilinde girdap hareketi, vorteks dinamiği, vorteks akışı gibi konular tartışılsa da, daha sonra bütünüyle bunun üzerine olan toplantılar yapılmaya başlandı. Helmholtz'un çalışmalarının atmosferik ve okyanus akışlarını da içerecek şekilden, mühendisliğin ve uygulamalı bilimlerin bütün alanlarına yaygınlaşması gerçekleşmedi. Modern akışkanlar dinamiğinde vorteks dinamiğinin akış fenomeni bağlamındaki rolü sağlam bir şekilde açıklanmıştır. Girdap (Vortex) olayları çeşitli isimler alıp popüler basında fırtınalar, tornadolar, sel baskınları, uçak vortisleri, , su altı baloncuk hava ringleri, gemi pervanelerindeki kavitasyon vortisleri gibi bağlamlar dahilinde yer almıştır.

Gaspard Riche de Prony
Akan suyun teorisi, 1755 ve 1839 yılları arasında yaşamış teorileriyle gelişmiştir. Prony, bu alanda yapılmış en iyi deneylerin bir araya getirilmesiyle, genel bir formül kurarak akan suyun hızı için basit bir ifade ortaya koyabilmiştir. Suyun sürtünmesi daha önce Coulomb tarafından çalışılmış olup daha yüksek hızlar için (1810-1879) tarafından genişletmiş olup gemilerin direncinin hesaplamasında kullanılmıştır.

Girdap dinamiklerindeki gelişmeler
Vorteks dinamiğindeki gelişmeler Vorteks dinamiği önemli bilimsel konferans, çalıştay ve sempozyumlarda yer alan, akışkanlar dinamiğinin önemli bir alt başlığıdır. Vorteks dinamiği tarihinde dikkat çeken bir sapma Lord Kelvin olarak da bilinen William Thomson tarafından önerilen vorteks atom teorisi ile gerçekleşmiştir. Kelvin'in teorisine göre atomlar eter denilen alanda vorteks hareketi yapıyor şekilde temsil edilebilirlerdi. Kuantum teorisinden onlarca yıl önce ortaya konan bu teori, fikri ortaya atanın bilimsel çevrelerdeki kredibilitesinden dolayı önemli ölçülerde dikkat çekti. Bu doğrultuda, bu teoriyi tamamlamak için birçok çalışma yapıldı.

bugün çizge kuramının, topolojinin temeli kabul edilen düğüm sayımı işlemini bu teoriye paralel olarak yapmış olsa da, Kelvin'in teorisi zamanın testine uzun vadede dayanamadı. Bununla beraber, bu çaba doğrultusunda elde edilen birçok veri bugün vorteks dinamiğinin gelişmesine önemli katkıda bulundu. Kelvin'in kendisi ortaya attı ve bir materyal kontoru etrafındaki dolaşımının korunacağını matematiksel olarak ispat etti. Einstein tarafından Kelvin'in en önemli sonuçlarından biri olarak taltif edilen bu sonuç, akışkan dinamiği ile topoloji arasındaki ilk bağlantılardan biri kurmuş oldu.

Vorteks dinamiğinin tarihi keşifler kadar önemli keşiflerin tekrar keşfiyle doludur, zira çok önceden elde edilmiş sonuçlar keşiflerinden sonra tekrar keşfedilene kadar tamamen unutulmuşlardır. Örneğin üç nokta vorteksi problemini 1877 yılında yazdığı teziyle genç İsviçreli matematikçi çözmüş olsa da, Gröbli'nin çözümü 1970'lere kadar unutulmuş olup ancak 1979 yılında, kaos teorisi bağlamında gün yüzüne çıkmıştır. 1960'ların ortasından itibaren Arms, Hama, Betchov ve diğerlerinin çalışmalarıyla popülerlik kazanan, üç boyutlu vorteks filament hareketindeki “lokalize indüksiyon yaklaşımı”, esasında 20. yüzyılın başında, kendisi de T. Levi-Civita'nın öğrencisi olan, yetenekli İtalyan matematikçi Da Rios tarafından ortaya konmuştur. 1972 yılında H. Hasimoto, Da Rios'un “içsel denklemleri”ni kullanarak (daha sonra R. Betchov tarafından bağımsız olarak ortaya konmuş), bu yaklaşım dahilinde vorteks filament hareketinin doğrusal olmayan Schrödinger denklemine bağlanabileceğini göndermiştir. Bu şekilde, bu problem vorteks filamentlerin büyük genlikli döngü dalgalarını destekleyebileceği görüldüğünden, “modern bilim”in bir parçası haline gelmiş oldu.

Daha fazla bilgi için
Donald F. Young, Bruce R. Munson, Theodore H. Okiishi, Wade W. Huebsch (2019). Akışkanlar Mekaniğine Giriş / A Brief Introduction to Fluid Mechanics. Yücel, Nuri & Türkoğlu, Haşmet tarafından çevrildi. Nobel Akademik Yayıncılık. ISBN 978-605-133-443-1

Not

Kaynakça